[发明专利]一种基于FDM技术的连续纤维增强复合材料微反应喷头

说明书

基于FDM技术的连续纤维增强复合材料产品生产技术继承了FDM工艺简单、材料广泛的特点，生产的产品被大量地应用于航空航天、军工等行业。为促进连续纤维和基体材料间的界面强度，本发明设计了一种基于FDM技术的连续纤维增强复合材料微反应喷头。在加热块的两侧对称安装两个雾化喷嘴，当连续纤维束由加热块顶部进入并经过雾化喷嘴时，雾化喷嘴喷出的含有粘结剂或化学试剂以及基体材料的气体将连续纤维束吹散，使雾化液体均匀的粘结到纤维束内部的纤维上，在喷嘴内部形成一个微型反应室。被雾化的连续纤维在加热块两侧熔融原材料和雾化气体的推挤下由喷嘴挤出并固化到工作平台上。该发明通过增加连续纤维与基体材料间的作用程度和作用时间促进二者间的粘结强度，进而提高连续纤维增强复合材料产品的整体机械性能，扩展连续纤维增强复合材料产品的应用范围，促进FDM技术的广泛应用。

技术领域

本专利涉及一种新型3D打印机喷头，特别涉及一种促进连续纤维和高分子聚合物基体粘结的微反应喷头，属于增材制造技术领域。

技术背景

增材制造技术是智能制造技术的重要组成部分，作为应用最广泛的增材制造技术，熔融沉积(FDM)技术已被广泛地应用于原产品的开发、功能部件的制造，经FDM制造的产品被广泛应用于工业、医疗、教育等行业。但随着现代技术的发展，经FDM制造的纯热塑性产品已不能满足现代工业对产品性能的要求，为提高产品的性能，向高分子聚合物基体中添加纤维增强相是目前的主要方法之一。基于FDM技术的连续纤维增强复合材料产品生产技术由于继承了FDM工艺简单、材料广泛的特点，生产的产品被大量地应用于航空航天、军工等行业。

由于纤维束在喷嘴中成束成型，且纤维和基体在喷嘴中作用时间极短，致使纤维和基体间浸润不足，只有纤维束外部纤维可与基体发生浸润并形成界面，严重限制了增强纤维性能的发挥；其次，由于纤维表面光滑，纤维与基体的粘结性能较差，严重限制了连续纤维增强复合材料产品的广泛应用。

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于FDM技术的连续纤维增强复合材料微反应喷头，旨在加强纤维与基体间的反应、促进连续纤维与基体间的融合，充分发挥两种材料的优点，优化工艺参数，实现高性能复合材料构件的制造。

发明内容

本发明提供一种新型3D打印机喷头的设计方案，用于提高3D打印过程中连续纤维和基体材料的浸润程度和粘结程度，进而提高3D打印连续纤维增强复合材料产品的力学性能。

本发明的技术方案包括以下步骤：

步骤1：该打印机喷头包括一加热块，加热块中间开设连续纤维束原材料进出通道，连续纤维束由此通道进入加热块。

步骤2：加热块外壁左右对称嵌入两个散热管和雾化喷头，散热管中开设丝状热塑性3D打印材料进出通道，空气雾化喷头的进液口通入化学试剂(或高温熔融液态树脂)，进气口通入空气。

步骤3：连续纤维束经加热块顶部的进口通入，在空气雾化喷头的雾化压力下，连续纤维束中连续纤维丝之间的粘连力被破坏，空气雾化喷头中喷射出的化学试剂浸润到连续纤维束中，促进碳纤维和基体材料的反应(若所喷试剂为熔融态热塑性树脂材料，可促进连续纤维和基体材料的粘结)。

步骤4：初步融合的连续纤维复合材料继续向下推进，达到加热块中的加热区时，加热块两侧的喉管中导入热塑性3D打印材料，并在加热区进行熔融。

步骤5：熔融的热塑性3D打印材料包裹住经初步融合的连续纤维复合材料，形成包覆热塑性3D打印材料的复合连续纤维材料，复合连续纤维材料经喷嘴挤出并固化到工作平台上。

本发明的效果和益效是：

(1)提高连续纤维束和热塑性材料的反应程度与浸润程度，改善3D打印材料的力学性能。

(2)可提高连续纤维束在被包覆热塑性3D打印材料状态下的同轴度，从而提高熔融沉积产品整体的机械性能。

附图说明